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Der natuerliche Reaktor von Oklo

Der Bau von Kernreaktoren wird immer noch von vielen als wissenschaftlich-technische Meisterleistung des Menschen gesehen. Um so erstaunlicher ist es, das auch auf diesem Gebiet die Natur den Menschen geschlagen hat. Denn waehrend der Menschen erst 1942 seinen ersten Kernreaktor baute, entstand bereits vor rund 2 Milliarden Jahren der erste natuerliche Kernreaktor in Gabun, West Afrika. Dort in der Oklo Uranmine konnten bis zu 17 verschiedene fossile natuerliche Reaktoren in drei Uranerzkoerpern nachgewiesen werden.

Entdeckung des Naturreaktors von Oklo

Im Jahre 1972 fiel franzoesischen Forschern auf, das sich das Verhaeltnis von U-235/U-238 nicht dem erwarteten Wert von 0,0072 entsprach, sondern nur den Wert von 0,00717 hatte. Eine Rückverfolgung der seltsamen Isotopenverteilung gelang bis zur Uranmine. Das Erz stammte aus Oklo in Gabun. Rueckstellproben zeigten, dass die in U-235 abgereicherten Uranerze seit 1970 produziert wurden. Bis 1972 betrug das Defizit rund 200 kg U 235 bei rund 700 Tonnen abgebauten Uran. Einige Regionen der Lagerstaette enthielten nur 0,44 % U 235 . (Cowan, G. A. 1976).

Wie kommt man auf die Vermutung, das sich dort etwas aussergewoehnliches abgespielt haben koennte?
Natuerliches Uranerz enthaelt hauptsaechlich zwei verschiedene Uranisotope, 99,27 % U-238 und 0,72 % U-235 neben kleinen Mengen U 234 (0,0054 %). Das selbe Verhaeltnis der Isotope findet man fuer gewoehnlich in allen Uranvorkommen, ob auf der Erde, dem Mond oder in Meteoriten. Alle diese Isotope zerfallen, wenn auch mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit. U-238 hat eine Halbwertszeit von 4 470 000 000 Jahren, U-235 nur eine von 704 000 000 Jahren.
Das Isotopenverhältnis des Uran im allgemeinen wird als konstant angesehen, zumindest das legen Untersuchungen an irdischen, Mond- und Meteoritengesteinen nahe. Beide Isotope (natuerlich auch die selteneren) sind chemisch nicht unterscheidbar. Es ist kein chemischer Prozess in der Natur vorstellbar, der ein Uranisotop anreichern kann. Allerdings fanden sich in der Lagerstaette einige Elemente bzw. deren Isotope, wie sie fuer Kernspaltung typisch sind. Und sie finden sich nur in den an U 235 abgereicherten Zonen. (Bodu et al. 1972)

Jede Aenderung dieser Isotopenverhaeltnisse deutet also auf einen besonderen Prozess jenseits des normalen radioaktiven Zerfalls hin. Daher nahmen Bodu et al. (1972) an, das sich in den Uranlagerstaetten von Oklo eine spontane Kettenreaktion abgespielt haben koennte.

Kernspaltung von U 235
Für die Kernspaltung ist das Uranisotop U 235 besonders geeignet. Es ist in der Lage, ein langsames Neutron zu absorbieren. Dadurch wird es angeregt und zerfaellt in zwei ungleiche Bruchstuecke, z.b. Barium 144 und Krypton 89 , sowie 2 - 3 Neutronen. Wenn mindestens eines der emittierten Neutronen wiederum auf ein spaltbares Atom trifft, so setzt sich die Reaktion fort.
Die entstandenen Tochterprodukte (z.b. Barium 144 und Krypton 89 ) sind selber instabil und zerfallen weiter. Am Ende entstehen mehr als 30 verschiedene stabile Isotope. Dieses Spektrum von Zerfallsprodukten ist charakteristisch für Kernspaltungen.

Mehr als die Haelfte der Endprodukte ist im Erzkoerper verblieben. Dazu gehoeren Lanthan, Cer, Praseodym, Europium, Samarium und Yttrium. Auch von den entstehenden Isotopen der Elemente Silber, Zirkonium, Ruthenium, Rhodium und Palladium blieb der groesste Teil im Erzkoerper. Dagegen wurden die Produkte wie Caesium, Rubidium, Strontium und Barium aus dem Erzkoerper entfernt (Cowan 1976).

Ein recht gutes Isotop fuer die Untersuchung von Kernspaltungsprozessen ist Neodym. Es kommt nicht haeufig in der Natur vor, hat also einen geringen natuerlichen Hintergrund. Es kommt in 7 stabilen Isotopen mit Massen von 142 bis 150 vor. Sechs von ihnen koennen als Spaltprodukte entstehen, nur Nd 142 nicht. Also wird der Gehalt des Gesteins an Nd 142 von etwaigen Spaltungsprozessen nicht beruehrt. Die Isotopenverhaeltnisse der uebrigen Isotope sind ebenfalls bekannt, so das der natuerliche Hintergrund berechnet werden kann. Alles Neodym darueber hinaus ist durch die abgelaufenen Kernprozesse produziert worden. Allerdings muss noch die Faehigkeit von Nd 143 und Nd 145 einbechnet werden, Neutronen einzufangen. Dabei entstehen Nd 144 bzw. Nd 146 . Die in den aktiven Zonen der Lagerstaette vorgefundenen Neodym-Isotopenmengen entsprechen denen, die in heutigen kuenstlichen Kernreaktoren vorzufinden sind (Cowan 1976).

Aehnliches zeigt sich auch bei anderen Elementen und deren Isotope. So kann bei rund jedem 6. U 235 ein Neutron eingefangen werden. Das entstehende Uran 236 hat eine Halbwertszeit von 24 Millionen Jahren und zerfaellt per Alpha-Zerfall (Helium-Kern) zu Thorium 232 . Und Thorium findet sich vorwiegend in den aktiven Zonen, wohingegen es in anderen Regionen nahezu fehlt (Cowan 1976).

Wenn nun alles auf Kernspaltungsprozesse hinweist, so bleibt immer noch ein Problem. Unter den heutigen Isotopenverhaeltnissen, wie sie bei Uran zu finden sind, kann eine Kettenreaktion nur unter sehr speziellen Umstaenden ablaufen. Keine dieser Bedingungen koennten in der Natur per Zufall entstehen. Dagegen koennte eine groessere Uranansammlung mit einfachem Wasser als Moderator schon in Frage kommen. Allerdings wird dann ein hoeherer Prozentsatz von spaltbarem Uran 235 benoetig. Und da U 238 und U 235 unterschiedliche Halbwertszeiten besitzen, war das Verhaeltnis in der geologischen Vergangenheit ein anderes als heute. Da das spaltbare Isotop U 235 mit 700 Millionen Jahren Halbwertszeit schneller zerfaellt als das Uran 238 mit 4,5 Milliarden Jahren, war es frueher wesentlich haeufiger. So laesst sich einfach berechnen, das es zum Zeitpunkt der Entstehung der Erde rund 17 % des Urans stellte. Der minimale Gehalt an U 235 fuer den Ablauf einer Kettenreaktion betraegt rund 1 %. Dieser Wert wurde vor rund 400 Millionen Jahren erreicht und er stellt damit den juengsten Zeitpunkt dar, an dem natuerliche Kernreaktoren entstanden sein koennen.
Die Sedimente der Francevillian Formation haben sich vor rund 2 Milliarden Jahren gebildet. Zu diesem Zeitpunkt betrug die relative Haeufigkeit von U 235 ungefaehr 3 %. Daneben erreichten die Uranerzlagen in Oklo mit ihren 10 % Urangehalt und rund einem halben Meter Maechtigkeit weitere Bedingungen, die den spontanen Ablauf einer Kettenreaktion ermoeglichten. Bei einer geringeren Maechtigkeit wuerden zu viele Neutronen verloren gehen. Als Moderator kommt unter diesen Bedingungen Wasser in Frage. Der Moderator wird benoetigt, um die schnellen Neutronen abzubremsen. Zu schnelle Neutronen werden von U 238 absorbiert, bevor sie ein U 235 spalten koennen. Bei einem gut Milliarden Jahre alten natuerlichen Reaktor ist ein Wassergehalt von 6 Gew% Wasser ausreichend, ein Wert, der bei dem Sediment in Oklo durchaus realistisch erscheint (Cowan 1976). Zur aktiven Zeit der natuerlichen Reaktoren im Gebiet von Oklo nahm der Gehalt an spaltbarem U 235 proportional zum Neutronenfluss ab. Ebenfalls proportional zum Neutronenfluss wandelte sich Neodym 143 durch den Einfang eines Neutrons in Neodym 144 um. Und die heute vorgefundenen Isotopenverhaeltnisse des Neodyms wuerden auf einen totalen Verbrauch des spaltbaren Uranisotops in Oklo hinweisen. Das ist ein zu niedriger Wert, verglichen mit dem tatsaechlich vorgefundenen Wert. Wenn man also den urspruenglichen Gehalt an U 235 kennt und den heutigen Wert, so scheint die verbrauchte Menge groesser zu sein als die Differenz zwischen den beiden Werten. Als Ursache dafuer wird eine andere Reaktion gesehen (Cowan 1976). Uran 238 ist in der Lage, schnelle Neutronen einzufangen. Dabei entsteht Uran 139 , das schnell durch Beta-Zerfall (Elektron) zu Neptunium 239 zerfaellt. Nach einem weiteren Beta-Zerfall entsteht Plutonium 239 . Dieses Plutoniumisotop zerfaellt durch Alpha-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 24 400 Jahren zu Uran 235 . So kann durch den Einfang schneller Neutronen durch Uran 238 zusaetzliches, spaltbares Uran erzeugt werden, aehnlich den kuenstlichen Brueter-Reaktoren.

Naudet (1978 a & b) hat fuer die Reaktorzonen 1-6 in Oklo berechnet, das mehr als 800 Tonnen Uran an der Reaktion beteiligt waren und dabei rund 6 Tonnen Uran 235 verbraucht wurden. Dabei wurden rund 540 x 10 15 J an Energie freigesetzt. Der Neutronenflux soll 1,5 x 10 25 n/cm 2 betragen haben. Insgesamt soll der Reaktor rund 1 bis 8 x 10 5 Jahre gelaufen sein.
Als Alter der Reaktoren werden von verschiedenen Autoren Werte zwischen 2100 und 1800 Millionen Jahren angegeben (Gauthier-Lafaye et al. 1989).

Die Uranlagerstaetten von Oklo


In Oklo liegen die Uranerze an Bruchstrukturen klastischer transgressiver Sedimente des Alt-Palaeozoikums (Gauthier-Lafaye et al 1989). Das Uran liegt als Pechblende (UO 2 ) vor. Die Erzkoerper sind in der praekambrischen Abfolge des Francevillian eingelagert.
Das Francevillian ist in Gabun weitverbreitet und stellt insgesamt eine bis zu 4000 Meter maechtige Serie aus klastischen und vulkano-sedimentaeren Sedimenten des unteren Proterozoikums (2150 Ma) dar (Bonhomme et al. 1982). Weber (1968) unterteilte das Francevillian in fuenf Einheiten, die mit FA (unteres Francevillian) bis FE (oberes Francevillian) gekennzeichnet werden.
Das FA besteht aus Sandsteinen und Konglomeraten, wohingegen die Einheiten FB bis FD groesstenteils aus Schwarzschiefern und Chert bestehen. Die Uranmineralisation befindet sich ausschliesslich in der unteren Abfolge, dem FA. Die Abfolge wird durch eine marine Transgression vom Suedosten zum Nordwesten gekennzeichnet. Es folgen Deltaablagerungen auf fluviatile Sedimente. Die Uranerzlagerstaetten finden sich ausschliesslich in den Delta-Sedimenten, Am Uebergang von fluviatilem zu Delta-Milieu (Gauthier-Lafaye & Weber 1989).

Es herrschen zwei Typen von Lagerstaetten vor. Ein gewoehnliches, niedriggradiges Erz mit nur rund 0,1 - 1 % Urangehalt und ein hochgradiges Erz mit Urangehalten von 1 bis zu 10 %. Dabei ist das hochgradige Erz an tektonischen Stoerungen gebunden und stellt Erzkoerper von 5 - 20 Metern laenge und 0,3 - 2 Metern Maechtigkeit dar. Das hochgradige Erz ist hier von besonderem Interesse, denn es stellt die Erzkoerper mit den abnormalen Isotopenverhaeltnissen. Altersdatierungen an diesen Erzen ergeben je nach Autor eine Alter von 2000 - 2100 Ma (Hagemann et al. 1974) bis zu 1700 Ma (Lancelot et al. 1975).
Das gewoehnliche Erz ist mit organischem Material vergesellschaftet. Dieses organische Material besteht aus Bitumen mit einem Wasserstoff-Kohlenstoffverhaeltnis von weniger als 0,5 Atomprozent. In diesen bituminoesen Partikeln liegt die Pechblende als mikroskopische (1 - 10 µm) Einschluesse vor (Gauthier-Lafaye & Weber 1989). Das hochgradige Erz findet sich dagegen mehr in den Bruchstellen des Sandsteins. Das Uran kommt als Pechblende und teilweise auch als Coffinit vor und ist niemals mit organischem Material vergesellschaftet. Dagegen kommen in diesen Bereichen auch Sulfide vor. Die Bildung dieses Erzes wird als Oxidations - Reduktionsprozess interpretiert, der in stark brekzioesem gewoehnlichem Erz stattgefunden hat (Gauthier-Lafaye & Weber 1989).

Im Proterozoikum befand sich also im Bereich des heutigen Oklo ein grosses Flussdelta. Im oberen Einzugsbereich des Flusses wurden die kristallinen Gesteine des Basements erodiert. Dabei gelangten auch Schwerminerale ins Wasser, wo sie sich anreicherten. Vor rund 2 Milliarden Jahren begann sich unter dem Einfluss der Aktivitaet von Cyanobakterien der Chemismus des Wassers langsam zu aendern. Der Sauerstoffgehalt des Wassers nahm zu. Jetzt ist Uran in seiner reduzierten Form nicht wasserloeslich, wohingegen die oxidierte Form leicht geloest werden kann. Diese leicht loeslichen Uranyl-Ionen konnte der Strom in das Gebiet seines Muendungsdeltas transportieren. Dort befanden sich viele organische Stoffe, das der Sauerstoffgehalt des Wassers wieder abnahm und das Uran reduziert wurde. Ein anderes Modell der Urananreicherung im Delta schlaegt Lovelock (1991) vor. Hier sollen Algenmatten die Faehigkeit besessen haben, Uran anzureichern. Eine Vermutung, die durch die organischen Partikel in den gewoehnlichen Erzen gestaerkt wird.

Die uranhaltigen Sedimente wurden im Laufe der Zeit immer tiefer begraben. So wurde verhindert, das sich das Uran unter sauerstoffhaltigen Bedingungen wieder loesen konnte. Als sich das Uran im Bereich der hochgradigen Erze genug angereichert hatte, konnte die Kettenreaktion starten. Durch die Stoerungen konnte Wasser eindringen, welches als Moderator die schnellen Neutronen genuegend abbremste.

Literatur

Bodu, R., Bouzigues, H., Morrin, N. & Pfiffelmann, J.P. 1972: Sur l´existence d´anomalies isotopiques recontrées dans l´uranium du Gabon. Acad. Sci. Paris, Contemptes Rendus v. 275 p. 1731-1732.

Bonhomme, M, Gauthier-Lafaye, F. & Weber, F. 1982: An example of lower Proterozoic sediments: The Francevillain in Gabon. Precambrian Res. V.18, p. 87-102.

Cowan, G. A. 1976. A Natural Fission Reactor, Scientific American, 235:36.

Gauthier_Lafaye, F. & Weber, F. 1989: The Francvillian (Lower Proterozoic) Uranium Ore Deposits of Gabon. Econ. Geol. 84, p. 2267 - 2285.

Gauthier-Lafayette, F., Weber, F. & Ohmoto, H. (1989): Natural Fission Reactors of Oklo. Econ. Geol. 84, 2286 - 2295.

Hagemann, R., Lucas, M., Nief, G. & Roth, E. 1974. Mesures isotopiques du rubidium et du strontium et essais de mesure de l´age de la mineralisation de l´uranium du réacteur naturel de l´Oklo. Earth Planet. Sci. Letters, V.23, p. 170 - 176.

Lancelot, J.R., Vitrac, A. & Allegre, C.J. 1975. The Oklo natural reactor: Age and evolution studies by U-Pb and Rb-Sr systematics. Earth and Planet. Sci. Letters V 25, p. 189 - 196.

Lovelock, J. 1991. Das Gaia-Prinzip. Artemis, Zuerich, Muenchen, p. 166f.

Naudet, R. 1978a. Etude paramétrique de la criticité des réacteurs naturels. in: The natural fission reactors. Int. Atomic Energy Agency, Wien, p. 589-600.

Naudet, R. 1978b. Conclusion sur le déroulement du phénomène. in: The natural fission reactors. Int. Atomic Enetgy Agency, Wien, 715-734.

Weber, F. 1968: Une série du precambrienne du Gabon: Le Francevillian. Sédimentologie, géochimie, relations avec le gites minéraux associés. Strasbourg, Services Cartes Géol. Alsace-Lorraine Mém. 28, 328 p.


© 2000 Gunnar Ries


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